CN114838812B - 自启动微机械声波传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种自启动微机械声波传感器及其制作方法，所述自启动微机械声波传感器包括：接线端，设于底板上；振动板，通过支撑结构悬设于所述底板上，在目标频率的声波信号的作用下，其具有向所述底板偏转的趋势；开关触点，设于所述振动板上，用于在所述振动板发生偏转时接触所述接线端，以实现自启动。本申请结构简单，制作方便，可以解决现有传感器因不间断工作造成的续航能力较差的问题。

Description

自启动微机械声波传感器及其制作方法

技术领域

本申请属于传感技术领域，具体涉及一种自启动微机械声波传感器及其制作方法。

背景技术

近年来，物联网技术的飞速发展，对各类传感器的设计和制备提出了更高的要求。各类传感器均需要供电，给传感器的长续航造成了挑战。采用微机械加工技术(MEMS)制成的各类传感器虽然体积小、功耗低、成本低，但是，不间断地运行仍然不利于这类传感器地长期工作。因此，迫切需要提出MEMS传感器的各种自启动方法，使传感器只在特定的条件下启动运行，在没有特定信号触发的条件下处于待机状态。这样，将能够极大提升传感器的续航能力，为物联网技术的长期可靠运行提供技术支撑。

发明内容

本申请的目的是提供一种自启动微机械声波传感器及其制作方法，该传感器在没有特定信号触发的条件下可以处于待机状态，从而可以解决现有传感器因不间断工作造成的续航能力较差的问题。

根据本申请实施例的第一方面，提供一种自启动微机械声波传感器，包括：

接线端，设于底板上；

振动板，通过支撑结构悬设于所述底板上，在目标频率的声波信号的作用下，其具有向所述底板偏转的趋势；

开关触点，设于所述振动板上，用于在所述振动板发生偏转时接触所述接线端，以实现自启动。

在一些可选实施例中，沿所述振动板的轴线方向，所述振动板与所述支撑结构的连接点及所述开关触点分别位于所述振动板的重心的两侧。

在一些可选实施例中，所述支撑结构为两个，沿垂直于所述振动板的轴线的方向，两个所述支撑结构分别支撑于所述振动板的两端。

在一些可选实施例中，所述支撑结构包括：

柔性支撑，所述振动板通过所述柔性支撑连接并悬设于所述底板上。

在一些可选实施例中，所述柔性支撑为蛇形结构。

在一些可选实施例中，所述支撑结构还包括：

固定支撑，设于所述底板上，所述柔性支撑通过所述固定支撑连接于所述底板上。

在一些可选实施例中，所述固定支撑与所述底板围护形成阻尼腔；

所述振动板上还设有阻尼隔板，所述阻尼隔板位于所述阻尼腔内，沿所述振动板的轴线方向，所述阻尼隔板将所述阻尼腔分隔成两个空腔。

在一些可选实施例中，所述阻尼腔通过刻蚀底板的表面形成。

在一些可选实施例中，两个所述空腔中，临近所述开关触点的一个所述空腔较大。

在一些可选实施例中，所述振动板的形状为矩形、三角形、圆形或椭圆形。

根据本申请实施例的第二方面，提供一种自启动微机械声波传感器的制作方法，包括：

提供底板，其表面设有接线端；

提供基底；

在所述基底的底面形成固定支撑及开关触点；

将所述固定支撑键合在所述底板的表面；

刻蚀所述基底，形成振动板和柔性支撑，所述柔性支撑与所述固定支撑连接形成支撑结构，所述振动板通过所述支撑结构悬设于所述底板上，在目标频率的声波信号的作用下，所述振动板向所述底板偏转，以使所述开关触点接触所述接线端。

在一些可选实施例中，在所述将所述固定支撑键合在所述底板的表面之前，还在所述基底的底面形成阻尼隔板；

所述固定支撑与所述底板围护形成阻尼腔，所述阻尼隔板设于所述振动板上并位于所述阻尼腔内，沿所述振动板的轴线方向，所述阻尼隔板将所述阻尼腔分隔成两个空腔。

本申请的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

本申请实施例的自启动微机械声波传感器，其振动板可以在特定信号的触发条件下偏转，使开关触点与接线端接触，从而使后端检测电路导通，以实现自启动式的声波信号检测。同时，在没有特定信号触发的条件下，该传感器可以处于待机状态，从而可以解决现有传感器因不间断工作造成的续航能力较差的问题。

附图说明

图1是本申请一示例性实施例中一种自启动微机械声波传感器的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3-图8是本申请一示例性实施例中一种自启动微机械声波传感器的制作过程；

图中，1、底板；2、接线端；3、振动板；31、硅结构层；32、绝缘层；33、下层硅；4、支撑结构；41、柔性支撑；42、固定支撑；5、开关触点；6、阻尼腔；7、阻尼隔板；8、第一沟槽；9、第二沟槽。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本申请进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本申请的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本申请的概念。

在附图中示出了根据本申请实施例的层结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

此外，下面所描述的本申请不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本申请实施例提供的自启动微机械声波传感器及其制作方法进行详细地说明。

如图1-2所示，本申请实施例提供了一种自启动微机械声波传感器，包括：

接线端2，设于底板1上；

振动板3，通过支撑结构4悬设于底板1上，在目标频率的声波信号的作用下，其具有向底板1偏转的趋势；

开关触点5，设于振动板3上，用于在振动板3发生偏转时接触接线端2，以实现自启动。

其中，接线端2可以是触点开关，其设置在后端检测电路上，当其与开关触点5接触时，接线端2呈闭合状态或者导通状态，从而会使后端检测电路导通，形成检测信号，根据该检测信号，即可以确定目标频率的声波信号的存在。

其中，为了方便振动板3的偏转，可以采用低刚度的振动板3或者支撑结构4，例如，当目标频率的声波信号的作用于振动板3时，振动板3可以发生振动并偏转，使开关触点5接触接线端2，振动板3的偏转也可以由支撑结构4的变形来实现。可选地，振动板3包括堆叠形成的硅结构层31和绝缘层32，绝缘层32为氧化材料层；支撑结构4对振动板3的支撑点可以是一点或者多点。

在本实施例中，振动板3通过支撑结构4悬设于底板1上，在目标频率的声波信号的作用下，其具有向底板1偏转的趋势，当目标频率的声波信号的作用于振动板3时，振动板3可以向底板1发生偏转，使其上设置的开关触点5接触接线端2，从而实现后端检测电路的导通。

根据本申请实施例的自启动微机械声波传感器，其振动板3可以在特定信号的触发条件下偏转，使开关触点5与接线端2接触，从而使后端检测电路导通，以实现自启动式的声波信号检测。同时，在没有特定信号触发的条件下，该传感器可以处于待机状态，从而可以解决现有传感器因不间断工作造成的续航能力较差的问题。

在一些实施例中，为了能够检测频率较低的声波信号，扩大传感器的检测范围，沿振动板3的轴线方向，振动板3与支撑结构4的连接点及开关触点5分别位于振动板3的重心的两侧。具体地，振动板3的支撑点位于其重心的一侧，可以使振动板3产生偏重，从而使振动板3更容易发生偏转，即便当待检测声波信号的频率较低时，传感器也可以检测到该信号，从而有利于扩大传感器的检测范围。进一步地，通过增加支撑点至振动板3的重心的距离，可以检测到频率更低的信号的频率。

在一些实施例中，支撑结构4为两个，沿垂直于振动板3的轴线的方向，两个支撑结构4分别支撑于振动板3的两端，随着支撑点的增加，振动板3的结构稳定性也有所提高。

在一些实施例中，支撑结构4包括：柔性支撑41，振动板3通过柔性支撑41连接并悬设于底板1上。柔性支撑41作为振动板3的支撑物，还可以进一步降低振动板3发生偏转的难易程度，使振动板3能够感应到频率更低的声波信号，同时，柔性支撑41还可以缓冲振动板3的振动，从而降低振动对底板1的影响，有利于提高传感器的使用寿命。需要注意的是，在本实施例中，柔性支撑41并不限于柔性材料，也可以是刚度较低的刚性材料。

在一些实施例中，柔性支撑41为蛇形结构。在其他实施例中，柔性支撑41还可以是S型结构、条状结构等。需要注意的是，上述柔性支撑41的结构并不对其形状形成限定。

在一些实施例中，为了降低传感器的制作难度，支撑结构4还包括：固定支撑42，设于底板1上，柔性支撑41通过固定支撑42连接于底板1上。具体地，一方面，固定支撑42可以减小柔性支撑41的长度，从而提高结构的稳定性，另一方面，固定支撑42也可以代替柔性支撑41将振动板3悬设于底板1上，避免在振动板3和底板1之间制作柔性支撑41时，因为直立设计柔性支撑41而导致传感器的制作困难的问题。

在一些实施例中，为了避免振动板3振动频率和幅度过大而导致其容易损坏，以提高传感器的使用寿命，固定支撑42与底板1围护形成阻尼腔6；振动板3上还设有阻尼隔板7，阻尼隔板7位于阻尼腔6内，沿振动板3的轴线方向，阻尼隔板7将阻尼腔6分隔成两个空腔。具体地，阻尼腔6和阻尼隔板7相互配合，当振动板3发生偏转时，会带动阻尼隔板7压缩其中一个空腔，而被压缩空腔同时会给阻尼隔板7一个反作用力，以降低振动板3的振动频率和幅度，从而避免振动板3振动频率或者幅度过大导致的传感器的使用寿命降低的问题。

在一些实施例中，振动板3及接线端2均位于阻尼腔6内。

在一些实施例中，阻尼腔6还可以通过刻蚀底板1的表面形成，该阻尼腔6的腔体即可以保证振动板3具有足够的悬设高度，因此，在安装振动板3时，可以考虑略去制作固定支撑42的步骤，从而有利于降低结构的复杂度，从而使传感器的制作难度降低，生产效率提高。

在一些实施例中，为了实现对不同频率的声波信号的检测，可以使两个实数空腔的大小不同。可选地，两个空腔中，临近开关触点5的一个空腔较大。通过研究发现，在两个空腔的大小一致时，振动板3的谐振频率最大，随着空腔的大小的差距越来越大，振动板3的谐振频率也越来越低，也更容易发生偏转，因此，通过对两个空腔的大小进行设计，可以使振动板3实现不同谐振频率的声波信号的检测。

在一些实施例中，振动板3的形状为矩形、三角形、圆形或椭圆形等。需要注意到是，在本实施例中，振动板3不限于这些形状。

如图2-8所示，本申请实施例还提供一种自启动微机械声波传感器的制作方法，包括：

步骤1、提供底板1，其表面设有接线端2，如图3所示；

步骤2、提供基底，如图4所示；

步骤3、在基底的底面形成固定支撑42及开关触点5，如图5-6所示；

步骤4、将固定支撑42键合在底板1的表面,如图7所示；

步骤5、刻蚀基底，形成振动板3和柔性支撑41，柔性支撑41与固定支撑42连接形成支撑结构4，振动板3通过支撑结构4悬设于底板1上，在目标频率的声波信号的作用下，振动板3向底板1偏转，以使开关触点5接触接线端2，如图2、8所示。

在步骤1中，底板1可以采用硅衬底，需要注意的是，底板1满足接线端2及振动板3的安装需要即可，上述底板1结构不对其进行限定。

其中，接线端2可以是触点开关，其设置在后端检测电路上，当其与开关触点5接触时，接线端2呈闭合状态或者导通状态，从而会使后端检测电路导通，形成检测信号，根据该检测信号，即可以确定目标频率的声波信号的存在。

在步骤2中，基底可以采用SOI衬底，SOI衬底包括上层硅(硅结构层31)、下层硅33及上层硅和下层硅33之间的绝缘层32。

在步骤3中，固定支撑42及开关触点5可以由SOI衬底的下层硅33刻蚀形成，在刻蚀下层硅33时，绝缘层32可以作为刻蚀工艺的停止层。开关触点5下层硅33表面形成的金属层，如图4-6所示，开关触点5的形成方法可以是：

在下层硅33表面刻蚀形成第一沟槽8，第一沟槽8的深度根据开关触点5的高度确定；

在第一沟槽8内沉积金属材料形成金属层，金属层的表面低于下层硅33的表面；

刻蚀基底，形成开关触点5。

需要注意的是，为了避免开关触点5影响振动板3的偏转动作，开关触点5的高度小于固定支撑42的高度。

在步骤5中，为了方便振动板3的偏转，基底经过刻蚀可以形成低刚度的振动板3或者支撑结构4，例如，振动板3的偏转动作可以由目标频率的声波信号直接作用于振动板3上而形成，振动板3的偏转动作也可以由支撑结构4的变形来实现。

其中，柔性支撑41作为振动板3的支撑物，还可以进一步降低振动板3发生偏转的难易程度，使振动板3能够感应到频率更低的声波信号，同时，柔性支撑41还可以缓冲振动板3的振动，从而降低振动对底板1的影响，有利于提高传感器的使用寿命。需要注意的是，在本实施例中，柔性支撑41并不限于柔性材料，也可以是刚度较低的刚性材料。

可选地，柔性支撑41为蛇形结构、S型结构、条状结构等。需要注意的是，上述柔性支撑41的结构并不对其形状形成限定。在本实施例中，柔性支撑41优选为蛇形结构。

其中，固定支撑42作为柔性支撑41及振动板3的支撑物，其可以减小柔性支撑41的支撑高度，从而提高结构的稳定性，同时，固定支撑42也可以代替柔性支撑41将振动板3悬设于底板1上，避免在振动板3和底板1之间制作柔性支撑41时，因为直立设计柔性支撑41而导致传感器的制作困难的问题。

在一些实施例中，振动板3的形状为矩形、三角形、圆形或椭圆形等。需要注意到是，在本实施例中，振动板3不限于这些形状。

在一些实施例中，为了能够检测频率较低的声波信号，扩大传感器的检测范围，沿振动板3的轴线方向，振动板3与支撑结构4的连接点及开关触点5分别位于振动板3的重心的两侧。具体地，振动板3的支撑点位于其重心的一侧，可以使振动板3产生偏重，从而使振动板3更容易发生偏转，即便当待检测声波信号的频率较低时，传感器也可以检测到该信号，从而有利于扩大传感器的检测范围。进一步地，通过增加支撑点至振动板3的重心的距离，可以检测到频率更低的信号的频率。

在一些实施例中，支撑结构4为两个，沿垂直于振动板3的轴线的方向，两个支撑结构4分别支撑于振动板3的两端，随着支撑点的增加，振动板3的结构稳定性也有所提高。

在一些实施例中，在将固定支撑42键合在底板1的表面之前，还在基底的底面形成阻尼隔板7；固定支撑42与底板1围护形成阻尼腔6，阻尼隔板7设于振动板3上并位于阻尼腔6内，沿振动板3的轴线方向，阻尼隔板7将阻尼腔6分隔成两个空腔。具体地，阻尼腔6和阻尼隔板7相互配合，当振动板3发生偏转时，会带动阻尼隔板7压缩其中一个空腔，而被压缩空腔同时会给阻尼隔板7一个反作用力，以降低振动板3的振动频率和幅度，从而避免振动板3振动频率或者幅度过大导致的传感器的使用寿命降低的问题。需要注意的是，为了避免阻尼隔板7影响振动板3的偏转动作，阻尼隔板7的高度小于固定支撑42的高度。在一些实施例中，阻尼隔板7的形成方法包括：

在下层硅33表面刻蚀形成第二沟槽9，第二沟槽9的深度根据阻尼隔板7的高度确定；

刻蚀基底，形成阻尼隔板7。

在一些实施例中，振动板3及接线端2均位于阻尼腔6内。

在一些实施例中，阻尼腔6还可以通过刻蚀底板1的表面形成，该阻尼腔6的腔体即可以保证振动板3具有足够的悬设高度，因此，在安装振动板3时，可以考虑略去制作固定支撑42的步骤，从而有利于降低结构的复杂度，从而使传感器的制作难度降低，生产效率提高。

在一些实施例中，为了实现对不同频率的声波信号的检测，可以使两个实数空腔的大小不同。可选地，两个空腔中，临近开关触点5的一个空腔较大。通过研究发现，在两个空腔的大小一致时，振动板3的谐振频率最大，随着空腔的大小的差距越来越大，振动板3的谐振频率也越来越低，也更容易发生偏转，因此，通过对两个空腔的大小进行设计，可以使振动板3实现不同谐振频率的声波信号的检测。

根据上述步骤，该方法制作的自启动微机械声波传感器，其振动板3通过支撑结构4悬设于底板1上，在目标频率的声波信号的作用下，其具有向底板1偏转的趋势，当目标频率的声波信号的作用于振动板3时，振动板3可以向底板1发生偏转，使其上设置的开关触点5接触接线端2，从而实现后端检测电路的导通，以实现自启动式的声波信号检测。同时，在没有特定信号触发的条件下，该传感器可以处于待机状态，从而可以解决现有传感器因不间断工作造成的续航能力较差的问题。

上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。

Claims (10)

1.一种自启动微机械声波传感器，其特征在于，包括：

接线端，设于底板上；

振动板，通过支撑结构悬设于所述底板上，在目标频率的声波信号的作用下，其具有向所述底板偏转的趋势；

开关触点，设于所述振动板上，用于在所述振动板发生偏转时接触所述接线端，以实现自启动；

所述自启动微机械声波传感器的制作方法，包括：

提供底板，其表面设有接线端；

提供基底；

在所述基底的底面形成固定支撑及开关触点；

将所述固定支撑键合在所述底板的表面；

刻蚀所述基底，形成振动板和柔性支撑，所述柔性支撑与所述固定支撑连接形成支撑结构，所述振动板通过所述支撑结构悬设于所述底板上，在目标频率的声波信号的作用下，所述振动板具有向所述底板偏转的趋势，当目标频率的声波信号的作用于所述振动板时，所述振动板可以向所述底板发生偏转，使其上设置的所述开关触点接触所述接线端，从而实现后端检测电路的导通，以实现自启动式的声波信号检测。

2.根据权利要求1所述的自启动微机械声波传感器，其特征在于，沿所述振动板的轴线方向，所述振动板与所述支撑结构的连接点及所述开关触点分别位于所述振动板的重心的相对两侧。

3.根据权利要求2所述的自启动微机械声波传感器，其特征在于，所述支撑结构为两个，沿垂直于所述振动板的轴线的方向，两个所述支撑结构分别支撑于所述振动板的两端。

4.根据权利要求1所述的自启动微机械声波传感器，其特征在于，所述支撑结构包括：

柔性支撑，所述振动板通过所述柔性支撑连接并悬设于所述底板上。

5.根据权利要求4所述的自启动微机械声波传感器，其特征在于，所述柔性支撑为蛇形结构。

6.根据权利要求4所述的自启动微机械声波传感器，其特征在于，所述支撑结构还包括：

固定支撑，设于所述底板上，所述柔性支撑通过所述固定支撑连接于所述底板上。

7.根据权利要求6所述的自启动微机械声波传感器，其特征在于，所述固定支撑与所述底板围护形成阻尼腔；

所述振动板上还设有阻尼隔板，所述阻尼隔板位于所述阻尼腔内，沿所述振动板的轴线方向，所述阻尼隔板将所述阻尼腔分隔成两个空腔。

8.根据权利要求7所述的自启动微机械声波传感器，其特征在于，两个所述空腔中，临近所述开关触点的一个所述空腔较大。

9.一种自启动微机械声波传感器的制作方法，其特征在于，包括：

提供底板，其表面设有接线端；

提供基底；

在所述基底的底面形成固定支撑及开关触点；

将所述固定支撑键合在所述底板的表面；

刻蚀所述基底，形成振动板和柔性支撑，所述柔性支撑与所述固定支撑连接形成支撑结构，所述振动板通过所述支撑结构悬设于所述底板上，在目标频率的声波信号的作用下，所述振动板具有向所述底板偏转的趋势，当目标频率的声波信号的作用于所述振动板时，所述振动板可以向所述底板发生偏转，使其上设置的所述开关触点接触所述接线端，从而实现后端检测电路的导通，以实现自启动式的声波信号检测。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述将所述固定支撑键合在所述底板的表面之前，还在所述基底的底面形成阻尼隔板；

所述固定支撑与所述底板围护形成阻尼腔，所述阻尼隔板设于所述振动板上并位于所述阻尼腔内，沿所述振动板的轴线方向，所述阻尼隔板将所述阻尼腔分隔成两个空腔。